PROPIEDADES Y PRUEBAS DE LABORATORIO PARA CEMENTACIONES.

La norma API RP 10 B delinea las prácticas recomendadas para las pruebas de laboratorio que se llevan a cabo con las lechadas de cemento para pozos de petróleo, asi como sus aditivos; estas pruebas se describen a continuación:

1.- determinación del contenido de agua en la lechada (agua libre, agua normal y agua mínima)

2.- determinación de la densidad.

3.- pruebas de resistencia a la compresión.

4.- determinación del tiempo de bombeabilidad.

5.- determinación del flitrado (baja y alta presión)

6.- pruebas de permeabilidad.

7.- determinación de las propiedades reologicas.

En el cemento seco también se hacen mediciones de fineza y de pureza:

ENSAYOS BASICOS RECOMENDADOS POR EL API

MUESTREO: Cuando se muestrea un determinado lote de cemento, tenemos que tomar una muestra representativa del lote, por ejemplo se recomienda sacar muestra de 1 saco por cada 50 sacos de cemento. El ASTM nos indica cual es la muestra más apropiada para el cemento. Para efectuar ensayos simples se requiere de 11 kg de muestra, para ensayos completos se necesita 107 kg; es recomendable llevar a laboratorio por lo menos un 25% más de lo requerido. Una vez que la muestra llega a laboratorio, es muy usado el método del cuarteo para separar la muestra con la que se va realizar los ensayos.

En la mesada del laboratorio, se coloca una plancha de plástico.

Con la muestra seleccionada realizar los ensayos, siempre debe guardarse muestras por cualquier reclamo que exista y sea necesario repetir el trabajo en un segundo laboratorio.

PESO DE LA MUESTRA PARA LOS ENSAYOS

2.1.- PREPARACIÓN DE LA LECHADA EQUIPOS RECOMENDADOS POR EL API

- Balanza que pese con una precisión de 0.2 grs para pesar la masa de cemento

- Los volúmenes de agua deben medirse en probetas

- Mezcladora de 2 velocidades.

- Las muestras del cemento deben ser tamizadas por una malla # 30. Todo material retenido debe ser separado y expresado en % P/P.

- El agua y el cemento para ensayos de referencia debe estar libre de CO2 deben tener una temperatura de 80 oF + 5 oF.

El % de agua que debe ser agregado es el que se indica en la tabla del API.,para cada tipo de cemento.

COMPOSICIÓN DE LA LECHADA

Veamos un ejemplo para cemento clase “A”

1 Sc = 94 Lb de Agua = 0.46 x 94 = 43.24 Lb

La densidad es: D = M/V V agua = M/D = 43.24 Lb/8.33 lb/gal USA = 5.19 gal.

Para Bolivia: 110 Lb x 0.46 = 50.6 Lb. Donde: V = 50.6 Lb/8.33 Lb/gal = 6.07 gal ( Bolivia)

Nota: El agregado de bentonita al cemento requiere del agregado de agua; por cada 1% de bentonita, tenemos que agregar 5.3 % de agua. (este valor puede variar con la calidad de la bentonita). Siempre es necesario realizar un ensayo piloto.

Por ejemplo para lechadas preparadas con cemento clase A y que tiene un 6% de bentonita, cuanto es el agua total que hay que agregar a la lechada. % = (46 + 5.3 x 6)/100 = 77.8%

COMO SE PREPARA LA LECHADA

2.2.- DETERMINACIÓN DE AGUA LIBRE

La lechada preparada como se indico, debe ser colocada en un consistometro atmosférico (base agua – baño maría).

El agua libre se la extrae con una pipeta o se la puede medir en la misma probeta. ( la probeta taparla con un papel ).

Para los cementos clase G y H, no debe exceder al 1.4 %. Para los otros tipos de cemento no hay requisitos. Para los pozos horizontales el agua libre debe ser = 0 cc. Se consigue agregando aditivos principalmente reductor de filtrado

2.3.- ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

El cemento requiere de una determinada resistencia a la compresión para soportar una cañería. En forma resumida indicaremos como se realiza este ensayo API.

PROCEDIMIENTO:

La lechada se la prepara como se la indico anteriormente, se usa moldes recomendados por el ASTM, una prensa hidráulica recomendada por el API, Baños para colocar la lechada de cemento en los moldes (envejecimiento), se introduce los moldes en forma íntegra, hay dos tipos de baños: 1.- Un recipiente abierto a la presión atmosférica donde se introduce los moldes con cemento, la temperatura es de 180 oF + 3 oF, debe contar con un sistema de homogenización de temperatura.

2.- Un recipiente cerrado donde se coloca los moldes con la lechada, a To 380 oF (193 oC) y la presión de hasta 3000 psi.

PERIODO DE CURADO

Es el tiempo transcurrido desde que los moldes son sometidos a las temperaturas hasta que se saca los mismos para el ensayo de compresión.

Para los moldes curados a presiones atmosféricas, el periodo de curado comienza cuando los moldes son colocados a los baños de curado y termina curado, se saca los moldes para el ensayo de resistencia a la compresión.

Si la presión de curado es mayor a la atmosférica, el periodo de curado comienza una vez alcanzada la presión referida.

Recordemos que el cemento al fraguar genera resistencia a la compresión, lo cual es necesario para soportar la cañería. Debido a que el ensayo de resistencia a la compresión son mejor analizados que la resistencia a la tensión, tenemos como regla que la R.T es de 8 a 10 veces mayor que la resistencia a la compresión. Ejemplo: 10 psi de R. T. = 100 psi de R. Compresión.

En la industria petrolera se acepta que 500 psi de resistencia a la compresión, garantiza continuar con las operaciones después de realizar la cementacion.

Entonces con la resistencia a la compresión del cemento fraguado nos contestamos la pregunta ¿Qué tiempo debemos esperar para continuar operaciones luego de realizado una cementación de una cañería?

Debemos esperar el tiempo en que la resistencia a la compresión es de 500 psi. En ingles se dice “WOC” time

El gran problema de determinar la resistencia a la compresión en la prensa hidráulica es que es destructiva y además es dificultoso que todos los moldes salgan iguales uniformes.

Hoy en día se mide la resistencia a la compresión en el analizador ultrasónico del cemento “UCA” “Ultra Sonic Cement Analyzzer”.

FIGURA 4.8.- PRUEBA DE FUERZA COMPRESIVA EN UN CUBO DE CEMENTO DE 2 PULGADAS. Recordemos que el cemento al fraguar genera resistencia a la compresión, lo cual es necesario para soportar la cañería en el pozo.

Para decidir cuánto tiempo se esperará para que el cemento se fragüe (para seleccionar un tiempo WOC), es importante:

1. Conocer cuán fuerte debe ser el cemento antes de que la perforación pueda empezar, y

2. Entender las características de desarrollo de la dureza de los cementos en uso común.

Esto puede ser observado en los valores de la fuerza compresiva en la tabla 4.8 y conocer qué temperatura de curado es significativa en el desarrollo de la fuerza.

Para aplicar la información de dureza o fuerza del laboratorio apropiadamente y para establecer un tiempo WOC razonable, se debe tener algún conocimiento de temperaturas de curado de fondo de pozo. El BHST´s en la mayoría de las áreas geográficas han sido razonablemente bien definidos mediante el uso de datos isotérmicos de superficie con profundidades y gradientes de temperatura aceptadas.

Los resultados son verificados mediante estudios conducidos de temperatura en agujeros superficiales interconectados.

La temperatura de curado del cemento, sin embargo, seguramente casi no igualará a la temperatura de formación, de hecho, esto incluso no tiene un valor constante. Esto es gobernado por un complejo grupo de variables, incluyendo las temperaturas del fluido de perforación, lechada de cemento y el fluido desplazado, tanto como el calor de hidratación del cemento.

TÉCNICA DE PRUEBA DE RESISTENCIA

Una técnica más nueva y más popular para predecir la fuerza y los tiempos WOC es un dispositivo no destructivo que usa ondas acústicas y ultrasónicas. El analizador de cemento ultrasónico (UCA) continuamente monitorea la dureza desarrollada por cualquier composición de cemento dada (figura 4.10). Una lechada simple es desplazada en una célula que está bajo condiciones que simulan la presión y temperatura de fondo de pozo. Las medidas de la velocidad ultrasónica del cemento son empezadas durante el estado fluido y continuado durante el fraguado inicial a cualquier punto deseado de dureza parcial o final desarrollada.

2.4.- TIEMPO DE BOMBEABILIDAD O DE ESPESAMIENTO

Una de las mayores preocupaciones cuando vamos a realizar una cementación es conocer porque tiempo puede estar bombeable la lechada, para contestar a esta pregunta el API, nos recomienda el ensayo de determinación del tiempo de bombeabilidad, el cual se realiza el consistometro presurizado en cual podemos simular las condiciones de F.P, ( 500 °F y hasta 40000 psi).

El consistometro es esencialmente un recipiente cilíndrico que contiene la lechada dentro de este cilindro hay unas paletas estacionarias, todo está encerrado en una cámara de presión, que tiene un aceite mineral recomendado por el API, esta cámara está provista de un sistema de calentamiento que eleva la temperatura en 5 °F / min, el recipiente gira a 150 rpm, la consistencia de la lechada está indicada por la deformación de un resorte calibrado que está conectado a la paleta que está en contacto con la lechada. Mientras aplicamos calor y presión la lechada va ganando consistencia que se transmite al resorte este resorte lo transforma en voltios.

Él limite de bombeabilidad de la lechada es cuando el equipo alcanza las 100 Bc ( Unidades de Barden, o unidades de consistencia).

Se sabe que cuando tenemos 11 Voltios corresponde a las 100 Bc.

También conocemos que cuando tenemos 8 voltios tenemos 70 Bc.

En la foto mostramos el consistometro presurizado.

Importante es saber que la temperatura para la determinación del tiempo de bombeabilidad es la temperatura de circulación y no la estática de fondo de pozo, lo que se hace es conocer la temperatura estática de fondo de fondo pozo y luego de graficas que relacionan la temperatura estática y la de circulación calculamos de la circulación para realizar el ensayo API, hay que considerar el gradiente térmico de la zona.

( Se utiliza la temperatura de circulación, por que como vamos a ver el próximo tema, antes de bombear la lechada se tiene que circular para acondicionar el lodo por lo menos unas 6 horas como mínimo y esto hace que la temperatura en el fondo de pozo sea la de circulación, ver grafico a en la parte inferior).

2.5.- AGUA PARA PREPARAR LA LECHADAS

La función principal del agua en una lechada de cemento es humedecerlo y transportar la lechada al ESPACIO ANULAR. Muchos trabajos de cementación han salido mal por las impurezas que tenía el agua. Idealmente el agua para preparar la lechada debería estar limpia y clara libre de químicos solubles , arena ,limo , material orgánico soluble , material alcalino o cualquier otro contaminante ; esto no siempre es posible dado que las fuentes de agua en los pozos es de distintas fuentes , sin embargo aguas hasta con 500 ppm de sólidos suspendidos puede ser utilizada sin problemas.

Los materiales inorgánicos tales como /( Cl- , CO3= ,CO3H- , SO4= , OH- ) ,pueden acelerar el frague del cemento , la velocidad de aceleración depende de la concentración .

El agua de mar como contiene de 30000 a 43000 ppm de sólidos solubles acelera el frague , esto puede ser neutralizado usando aditivos para retardar el frague.

Las impurezas del agua originan en las lechadas espuma lo que dificultad alcanzar la densidad requerida. El agua potable es lo recomendado siempre que las condiciones lo permitan.

Por ser tan importante el agua RECORDAR QUE LOS ENSAYOS QUE SE REALIZAN EN LOS LABORATORIOS DEBEN REALIZARSE CON EL CEMENTO QUE TENEMOS EN CAMPO Y CON EL AGUA QUE VAMOS A UTILIZAR PARA PREPARAR LA LECHADA EN EL POZO.

CONTENIDO DE AGUA EN LA LECHADA

En la cementación primaria, la lechada de cemento debe tener una viscosidad o cedencia que permita el desplazamiento del lodo más efectivo del EA y nos permita una buena adherencia entre la formación y la cañería.. Para alcanzar esto, la mayor parte de las lechadas son mezcladas con una cantidad de agua que proporcionará un volumen fraguado igual al volumen de mezcla sin la separación libre de agua. El tamaño de partícula, área de superficie, y todos los aditivos influencian en la cantidad de agua requerida para que la mezcla alcance una viscosidad particular en una lechada dada. Hay rangos de viscosidad para lechadas de cemento dadas y rangos de viscosidad que indican cuán espesa puede ser una mezcla y permanecer bombeable bajo condiciones de pozo dadas para el fraguado. Estas cantidades de agua son dadas en términos específicos, definidas como sigue:

Agua Máxima.- es la cantidad de agua para la mezcla de cualquier composición de cemento que dará un volumen al fraguado igual al volumen de la lechada con más de 1½% de agua libre separada. Esto es medido mediante una prueba de asentamiento (figura 4.5) con unos 250 ml graduados después que la lechada ha sido agitada en un probador de tiempo de espesamiento atmosférico. El agua máxima es la cantidad usada para la mayoría de las cementaciones porque el máximo rendimiento o “fill-up” (llenado) es necesario para cada saco de cemento.

Agua Normal.- Es la cantidad de agua mezclada que alcanzará una consistencia de 11 Bc´s (unidad de consistencia) medida en un probador de tiempo de espesamiento atmosférico después de 20 minutos de agitación. La API usa unidades de consistencia porque los valores obtenidos no son verdaderos valores de viscosidad (poise). Bc´s están basados en un torque o resistencia en lugar de la separación de agua. El agua normal es a veces llamada “agua óptima” porque provee una buena bombeabilidad a la lechada.

Agua Mínima.- Es la cantidad de agua mezclada que dará una consistencia de 30 Bc´s luego de 20 minutos de agitación. Esta nos dará una lechada bastante espesa que puede ser usada, por ejemplo, para controlar pérdidas de circulación.

La relación agua – cemento, volumen de la lechada, y volumen del fraguado están cercanamente relacionadas al tamaño de partícula o área superficial de un cemento (ver tabla 4.6). Para la mayoría de las Clases API, el tamaño de partícula y los requerimientos de agua para obtener ciertos niveles de dureza, retardación, bombeabilidad, etc., son específicos. Los estándares de la API no clasifican el grado de fineza de los cementos Clase G y H, pero especifican la cantidad de agua mezclada y el agua libre deducida, la cual es controlable mediante el grado de fineza del cemento.

GRANULOMETRIA (MOLIENDA DEL CEMENTO)

. Hay muchas metodologías para determinar la granulometría del cemento, vamos a mencionar algunas:

Veamos una curva granulometría de un cemento API G , fabricado por Loma Negra Argentina. ( ver tamaño más grande las partículas).

La actividad química del cemento, por lo tanto la capacidad de adquirir el poder aglomerante, cohesivo y el desarrollo de la resistencia del cemento fraguado depende la superficie de reacción que aumenta a medida que disminuye el tamaño de la partícula del cemento.

Estudios de investigación han mostrado que una partícula se hidrata a solo 0.1 mm, esto significa que partículas de cemento con diámetros mayores a 0.2 mm, en el centro de la partícula no ocurrirá la hidratación del cemento por lo tanto esto es como un material inerte.

Es importante entender lo del tamaño de la partícula, porque nos hace entender que no debemos utilizar cementos que presentan bolas, terrones etc, dado que no podremos tener una buena lechada.

2.7.- DENSIDAD DE LAS LECHADAS

La densidad de la lechada es una propiedad muy importante, debemos medirla en el campo de la manera más exacta posible. Las lechadas de cemento pueden prepararse en gran rango de densidad, va depender de cada situación de los pozos ( principalmente, sí la cañería a cementar estará en formaciones con presiones porales subnormales, o anormales). En nuestro país en un mismo pozo se utiliza lechadas más livianas que el agua y lechadas densificadas con baritina y/o hematita.( los mega campos San Alberto , Sábalo , Margarita )

Veamos el siguiente cuadro

ES IMPORTANTE INDICAR QUE YPFB EN EL AÑO 1988 EN EL CAMPO PARAPETY , CON LA COMPAÑÍA DOWEL SCHLUMBERGER INTENTO PREPARAR UNA LECHADA CON DENSIDAD DE 23 LB /GAL , DENSIFICADO CON HEMATITA , LA OPERACIÓN FUE UN FRACASO POR QUE NO SE LOGRO TENER UNA DENSIDAD PERMANENTE LE FALTABA GELES A LA LECHADA PARA SUSPENDER A LA HEMATITA.

La densidad se puede medir con la balanza de lodo, con la balanza presurizada de Halliburton, los camiones tienen un densímetro Nuclear.

Cuando medimos la densidad de la Lechada con la balanza de lodos, tenemos una medición por defecto, esto se debe a que las lechadas atrapan mucho aire cuando se las está preparando. La balanza presurizada de Halliburton nos da una lectura más real de la lechada de cemento, en realidad es una variante de la balanza de lodos, con la salvedad que con una bomba manual se llena la tasa de la balanza obligando a desalojar el aire de la lechada, sin embargo es más dificultoso su uso. ( ver fotos )

Los camiones de las compañías de servicios de cementación tienen un densímetro Nuclear incorporado al camión, que puede medir la densidad a medida que sé esta bombeando la lechada al pozo ( Da una medida más exacta de la densidad que los otros instrumentos ya mencionados, ver la tabla de la parte inferior).

La densidad de la lechada durante la cementación se la muestra en una pantalla digital y la registra en una cinta, esto trabajo con una fuente radiactiva de Cesio -137, el cual está fijado en la línea de descarga donde la lechada está sometida a altas presiones, el aire entrampado es minimizado y de esta manera tenemos una medida más exacta de la densidad de la lechada.

Veamos ahora para una misma lechada como varia el valor en función como midamos la densidad.

2.8.- CONTROL DE FILTRADO

El control de filtrado de las lechadas de cemento es muy importante en pozos profundos, durante la cementación de Liner, para efectuar cementaciones a presión SQUEZZE, o cuando vamos a

cementar la cañería de producción, la lechada que esta frente a la zona potencialmente productora de hidrocarburos debe tener un bajo filtrado.

La perdida de filtrado de una lechada en una zona permeable puede originar debido a la perdida de agua, que la lechada levante su reología, va originar inmediatamente un revoque grueso, que puede cambiar el tipo de flujo de la lechada. Los factores que influyen en la perdida de filtrado de la lechada es la presión, temperatura, la permeabilidad del revoque, la permeabilidad del reservorio.

El API ha especificado lo siguiente:

El equipo donde se realiza el ensayo es muy parecido al equipo donde se realiza el ensayo de filtración para el lodo HPHT.

El filtrado es el volumen de agua que se obtiene, después de 30 minutos que la lechada a sido sometida en la celda de filtración a 1000 psi, y la temperatura fijada por nosotros.

Ver la figura de abajo que -+ nos explica como se realiza el ensayo.

El control de filtrado se lo realiza agregando a la lechada aditivos que se llaman reductores de filtrados en una concentración del orden del 0.6 al 2.0 %. Para cementar zonas productoras un valor optimo del valor de filtrado es de 50 a100 cc.

Además es importante indicar que el filtrado de la lechada es muy alcalino ph > 12, esto origina que si el matriz de la arena productora tiene arcilla, la va a dispersar y generar finos, lo q trae como consecuencia el daño a la formación produciendo baja producción de hidrocarburo.

CONTROL DE FILTRADO

El control de filtrado en la lechada de cemento es muy importante en la cementación de liners profundos y en cementaciones Squeeze. La pérdida de filtrado a través de un medio permeable causarán un incremento en la viscosidad de la lechada y una rápida disposición del revoque de lodo, restringiendo así el flujo. Los factores que influencian la pérdida de filtras de las lechadas de cemento son el tiempo, presión, temperatura y permeabilidad. Para medir las características de filtración de las lechadas de cemento las especificaciones de la API estandarizaron una prueba de 30 minutos a 100 o 1 000 psi.

El procedimiento de la API usa un filtro ensamblado (figura 4.20A y 4.20B) que consta de una armazón, un cilindro, y una malla de 325 mesh sostenida por una malla de 60 mesh como un medio de filtración. Una camisa de calefacción hace posible el simular las temperaturas de formación. Para simulas el desplazamiento al fondo de pozo, las lechadas pueden ser bombeadas por un probador de Tiempo de espesamiento a una cierta presión o sin presión en un tiempo dado antes de que éste sea removido o vertido dentro de una celda de filtrado.

FIGURA 4.20A.- EQUIPO DE PRUEBA API PARA PÉRDIDA DE FLUIDO PARA MEDIR LOS FLUJOS DE FILTRACIÓN DEL CEMENTO.

FIGURA 4.20B.- PRUEBA DE FILTRACIÓN DE LAS LECHADAS DE CEMENTO (IZQUIERDA: LA PÉRDIDA RÁPIDA DE AGUA DEJA UN REVOQUE DE LODO GRUESO; DERECHA: EN 30 MINUTOS DE PÉRDIDA DE AGUA CONTROLADA DEJA UNA LECHADA CON REVOQUE DELGADO.

Se consigue normalmente controlar la filtración de una lechada de cemento mediante la adición de polímeros de cadenas largas en concentraciones de 0.6 a 1.0 % por peso del cemento. (Ver tablas 3.26 y 4.15).

Las lechadas de cemento que tienen valores de pérdida de fluido de laboratorio de 50 a 150 ml en 30 minutos son comúnmente usadas en cementaciones Squeeze. En la cementación de liners profundos, la pérdida de fluido API puede llegar a los 300 ml.

2.8.- PERMEABILIDAD

Aunque se dé sólo un leve énfasis a la permeabilidad del cemento fraguado durante el diseño de la lechada de cemento, hay formas de medirla tanto para agua como para gas. El API ha especificado un sistema estándar que involucra el uso de un permeábilimetro metro (figura 4.19).

FIGURA 4.19.- DISPOSITIVO PARA MEDIR LA PERMEABILIDAD DE UN CEMENTO API.

Los cementos fraguados tienen muy poca permeabilidad – de hecho más bajas que las formaciones mayormente productoras. Datos han mostrado que a temperaturas menores de 200 ºF la permeabilidad del cemento decrece con el tiempo y la temperatura. Después de 7 días de curado, la permeabilidad es usualmente muy baja como para medirla.

La permeabilidad del cemento fraguado con gas es normalmente mayor que la con agua, pero las medidas de formación son menos confiables porque es difícil de obtener buenas muestras representativas para medir el flujo de gas. Los cementos que se han fraguado en un tiempo de 3 a 7 días tienen una permeabilidad de gas menores de 0.1 md. La dolomita y la caliza tienen una permeabilidad aproximada de 2 a 3 md y las calizas pelíticas usualmente tienen una permeabilidad muy baja. La arenisca tiene una permeabilidad de gas dentro de un rango de 0.1 a 6 000 md.

Reología: Los ensayos de reología permiten determinar el comportamiento de la lechada de cemento ante diferentes caudales de bombeo. En el laboratorio de san Antonio internacional el equipo utilizado para realizar es el viscosímetro Fann 35 donde se obtienen las lecturas del dial a 300, 200, 100, 60, 30, 20, 10, 6 y tres rpm las cuales se utilizan para el calculo de n’, k’, viscosidad plástica y punto cedente a través de un software o programa de computo.